飛機大型復合材料蒙皮成型研究

李林

摘 要：大尺寸復合材料蒙皮相較金屬材料會起到較好的減重效果，且明顯降低制造成本和簡化工藝過程。隨著復合材料設計和制造技術的不斷發(fā)展和成熟，先進復合材料的應用使飛機結構出現(xiàn)輕質化、模塊化。復合材料先進數(shù)字化制造技術使大尺寸飛機蒙皮的設計 、生產(chǎn)成為可能。

關鍵詞：設計制造一體化，自動鋪帶（ATL），預成型

大型金屬材料蒙皮滾彎、液壓及化銑成型，成本高，材料利用率低，工藝過程繁瑣。相較金屬材料，復合材料整體鋪疊工藝過程簡化。但大尺寸的復合材料蒙皮鋪層結構復雜，傳統(tǒng)的加工方法，先按下料樣板剪裁預浸料，然后畫線定位手工鋪貼、壓實，因此效率低且零件內(nèi)部質量穩(wěn)定性差，鋪層位置尺寸有偏差。設計制造一體化（DFM）理念的出現(xiàn)，先進數(shù)字化制造技術在復合材料零件制造方面的應用，很好的解決了大尺寸復合材料蒙皮類零件制造的難題。

以某民機中央翼盒復合材料蒙皮為研究對象，解析大尺寸復合材料蒙皮的先進制造技術。

1 蒙皮規(guī)格

某民機中央翼盒蒙皮按等強度原則，蒙皮斜坡式漸變厚度設計，最大厚度14.803mm，鋪層數(shù)103，最小厚度5.95mm，鋪層數(shù)33，面板3360×2850mm。蒙皮材料選用碳纖維預浸料。為防電化學腐蝕，蒙皮內(nèi)、外表面與金屬零件貼合處鋪貼玻璃布。

2 蒙皮成型

大型復合材料蒙皮整體成型，有3方面的關鍵技術：工裝技術，數(shù)字化技術，預成型技術。

2.1 工裝技術

工裝是復合材料制件的成型基礎，工裝要保證制件的形位尺寸，又要適應傳熱、傳壓的工藝特點。根據(jù)此蒙皮的結構構型，選用隔板式框架殷鋼結構工裝。

2.2 數(shù)字化技術

由于蒙皮有外型面要求，需直接在固化工裝上鋪貼。蒙皮是大尺寸且中等曲率零件，適于曲面式自動鋪帶機（ATL）的應用，采用窄帶150mm寬料卷。

應用FiberSim軟件對蒙皮制造仿真設計，生成制造工程信息以及驅動鋪層激光投影定位系統(tǒng)、自動下料設備和纖維鋪放設備的數(shù)據(jù)。

2.2.1 ATL工作原理及與工裝校準

工作原理：用于自動鋪帶工藝的預浸料卷放置在鋪帶機的工作頭上。自動鋪帶工藝專用的預浸料是單面帶襯紙的，在鋪疊工作時，原材料從預浸料卷出來，在壓實軸處鋪疊在工裝表面，其襯紙會被襯紙回收卷收回。切刀控制鋪層的大小和形狀，滾輪控制襯紙與預浸料的分離，見圖1。

設備校準：

①放置蒙皮固化工裝，工裝由與碳纖維熱膨脹系數(shù)相當?shù)囊箐摬牧现圃?，其模胎面為零件外型面?/p>

②按模胎面上的靶標點通過ATL機模具坐標系校準系統(tǒng)確定工裝與ATL設備的位置。

2.2.2 纖維鋪放

①加載激光投影程序，投影第一層玻璃布的位置標記，按標記手工鋪放一層蒙皮外表面玻璃布膠帶條，并壓實（壓實后，揭去表面保護層）；

②加載碳纖維ATL鋪放指令；為防差錯和測試設備運轉狀況，每次鋪放角度和料卷更換，ATL都要先在模具試鋪放區(qū)試鋪放一段預浸料，檢查鋪放情況再進行工件鋪貼；

③直到鋪完最后一層碳纖維，并按工裝標記線修剪到鋪層設計邊界線處，見圖2；

④ 用激光投影儀定位蒙皮內(nèi)表面玻璃布位置，人工鋪放一層玻璃布，完成蒙皮鋪貼。

根據(jù)零件結構、鋪層等特點，不適用于自動鋪放設備的，仍由手工鋪貼完成。將零件制造數(shù)模中的鋪層輪廓信息轉化為激光投影定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可提高定位精度。自動鋪貼技術能夠提高鋪層的位置準確度，滿足設計要求的鋪層過渡比例。

2.2.3 預成型技術

復合材料制件要進行預成型。將鋪貼完成的蒙皮在工裝上按相應工藝規(guī)程鋪覆無孔膜、吸膠氈、真空袋，并抽真空加壓。吸膠、預成型工藝是通過升溫降低樹脂粘度使其具有良好的流動性，適時加壓，可排除夾雜的氣泡、多余的樹脂，使零件結構密實，保證制件厚度，工件形面規(guī)整。預成型后即可固化成型。

3 結束語

數(shù)字化制造技術改變了復合材料傳統(tǒng)的手工制造模式，實現(xiàn)了模擬量向數(shù)字量的轉化，制造精度顯著提高，同時縮短了制造周期，減少了人力投入。復合材料數(shù)字化制造技術是大型飛機零、部件制造的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

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[2] 陳際偉，趙艷文，翟全勝.復合材料壁板的數(shù)字化成型研究. 高科技纖維與應用.2015（6）第40卷 第3期

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